ITER校正场BCC线圈盒焊接成形机理及变形控制

发布时间：2020-11-11 06:06

　　 全超导可控磁约束热核聚变能发电技术是人类未来可持续发展的战略新能源技术之一,国际合作项目-国际热核聚变实验堆(ITER)计划有条不紊的建设,对于推动可控聚变能基础科学发展和工程技术进步具有重要意义。本文在ITER校正场线圈专项的支持下,针对校正场线圈盒焊接变形问题,研究316LN奥氏体不锈钢厚板焊接成形机理,探索焊后热处理对线圈盒子段TIG拼焊接头显微组织和力学性能的影响机制,开发线圈入盒后线圈盒激光封焊关键技术。基于焊后热处理对线圈盒子段TIG拼焊接头组织和性能的影响规律,开发了大型线圈盒整体去应力的热处理技术,揭示了316LN厚板TIG焊接头的低温断裂机制。760℃/1h焊后热处理后的焊缝显微组织仍为单一奥氏体相,然而其焊缝的钝化区间却明显减小,焊后热处理一定程度上降低了焊缝的抗晶间腐蚀性能。4.2K条件下,焊后热处理焊缝的抗拉强度和断裂韧性分别为焊态焊缝的97.4%和74%,并在裂纹扩展附近区域内观测到应力(应变)诱发马氏体相变。与焊态焊缝的韧性断裂方式不同,760℃/1h热处理后焊缝断口存在解理台阶和二次裂纹,呈现韧脆混合断裂模式。基于“三明治”在线监测技术,展现了316LN厚板激光深熔焊过程中缺陷产生机理,建立了线圈盒激光封焊接头显微组织与力学性能之间的对应关系。研究发现小孔后壁的剧烈波动易导致小孔底部坍塌产生气泡,这些气泡不断汇集并长大进而形成小孔型气孔缺陷。小孔后壁的波动同时也会造成小孔口大小的周期性变化,在小孔内金属蒸汽压的作用下小孔后壁及熔池的液态金属被迫向上喷出形成飞溅。探究了激光深熔焊焊缝的显微组织和力学性能,焊缝组织由单一的奥氏体相组成,晶粒显著粗化且取向不明显,焊缝中存在着第二相颗粒的析出。4.2K条件下,接头的抗拉强度高达1522MPa,为母材强度98%,接头热影响区和焊缝区域的冲击韧性分别为母材冲击韧性的72%和59%,焊缝平面应变断裂韧性K(J)1c高达240MPa·m1/2,为母材的92%。拉伸和冲击断口由大量的韧窝组成,为典型的韧性断裂。焊缝裂纹扩展后期速度明显加快,断口上的韧窝变小变浅,并存在第二相颗粒。母材和焊缝断裂韧性样件裂纹扩展路径附近均发现马氏体生成,且焊缝马氏体量显著低于母材马氏体量。建立了双椭球体+3D高斯组合热源的BCC线圈盒焊接数值分析模型,实现了线圈盒焊接变形的有效控制和线圈盒焊接接头疲劳寿命的预测和评估。鉴于对大型复杂结构件BCC线圈盒焊接过程的应力应变场的调控,BCC线圈盒封焊后的焊接变形精确控制在±2mm以内,成功解决了大尺寸线圈盒厚板焊接变形控制的技术难点。并基于数值模拟结果以及Goodman公式的修正得到焊缝的等效应力幅值Seq仅为211MPa,远低于CC线圈设计的疲劳寿命对应的应力幅值410MPa,BCC线圈盒封焊接头疲劳寿命满足设计要求。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL622
【部分图文】：

势必将造成大型超导磁体在高磁场、高应力极端恶劣条件下运行。目前在建的??ＩＴＥＲ超导磁体系统包括１８个纵向场线圈（ＴＦ），１个中心螺管线圈（ＣＳ），?６个??极向场线圈（ＰＦ）以及１８个校正场线圈（ＣＣ），其系统结构如图１．１所示。其??中ＩＴＥＲ校正场线圈是为了补偿磁场误差而设计的，为了保护校正场线圈服役情??况下抵制复杂强电磁力的作用，需要在线圈外部采用适用于液氦温度下（４．２Ｋ）??的高强度、高軔性３１６ＬＮ奥氏体不锈钢（４．２Ｋ：抗拉强度＞１５００ＭＰａ，断裂韧性??仏＞２００?ＭＰａ?ｍ１／２）制造的大尺寸线圈盒结构件进行支撑和保护。??Ｃｒｙｏｓｔａｔ??—ｋ?－ｆｒｆｌ??Ｃｅｎｔｒａｌ?Ｓｏｌｅｎｏｉｄ?（６）?＼?Ｄｉｖｅｒｔｏｒ??图１．?１?ＩＴＥＲ装置图??１??

且为二维结构，横跨３个纵场线圈，整体尺寸约７．０ｍＸ２．５ｍ。侧部线圈（ＳＣＣ）??布置在径向占位３６．１９５°，横跨２个纵场线圈，外形尺寸约７．０ｍＸ７．２ｍ，ＳＣＣＳ??三维瓦片状结构，其分布图如图１．２?（ａ）所示。为了保护内部的超导线圈，依据??其结构特征以及装配顺序特点，ＣＣ线圈盒结构尺寸以及横截面形状如图１．２（ｂ）??所示。ＳＣＣ线圈盒设计为两个Ｌ型半盒，Ｂ／ＴＣＣ线圈盒设计为底部Ｕ型盒和盒??盖组成，壁厚均为２０＿。由图可以看出，ＣＣ线圈盒的整体尺寸较大，横截面??尺寸较小，呈多圆弧、复杂三维形态的结构形式，这些特殊的几何外形尺寸给??ＣＣ线圈盒的制造带来了极大的困难及风险。鉴于线圈盒极高的尺寸配合精度要??求，势必要解决线圈盒子段拼焊过程中产生的焊接残余应力对后续机加工精度的??影响，以及针对大尺寸线圈盒最终封焊的成形机理及变形控制等关键技术难点进??行深入研宄。??图１．２校正场线圈：（ａ）线圈空间分布图，（ｂ）线圈盒结构尺寸图??校正场线圈盒的制造工艺主要包括子部件间的ＴＩＧ拼焊、焊后热处理去应??力、线圈盒机加工以及最终线圈入盒后的激光封焊工作。校正场线圈盒所有的焊??接工艺认证试验均是在平板以及模型线圈盒上完成

?第１章绪论???处理，显微组织中的析出物以氮化物和〇相为主，碳化物的析出受到碳含量的影??响被限制。??在奥氏体不锈钢焊接接头焊后热处理方面，国内外也进行了相关研宄。Ｙ．Ｈ．??Ｋｉｍ和Ａ．Ｙ．?Ｊａｎｇ［１５＿１６］等对不同Ｃｒ／Ｎｉ当量比的３１６Ｌ焊缝的初性进行了研究。焊??缝中５－铁素体的含量和凝固模式取决于焊缝中不同Ｃｒ／Ｎｉ当量比，从而决定了焊??缝中〇相对初性的影响。〇相含量随着时效温度的升高而升高，焊缝的冲击初性??随着〇相含量的增加而降低。Ｏ．?Ｈ．?Ｉｂｍｈｉｍ［１７］等也发现焊缝中０相的析出使焊缝??的冲击性能显著降低，且双相钢中的〇相形成量更大，〇相的形成归结于铁素体??相的存在。Ｅ．?Ｊ．?〇１１？１［１８］等对３１６ＦＲ不锈钢不同凝固模式的焊缝进行了??８２３？１０７３Ｋ的时效处理，分析了焊缝中的显微组织转变以及沉淀相〇和ｘ相析出??的动力学条件。研究结果表明，ＡＦ和ＦＡ模式下焊缝中的铁素体含量分别为２％??和５％，５－铁素体中的主要析出相为〇、ｘ和Ｙ２相，析出位置主要位于铁素体内以??及周围，这些相的析出消耗了焊缝中的全部铁素体，如图１．３所示，随着时效温??度和时间的延长，焊缝中的５－铁素体相消失殆尽。???
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本文编号：2878853